Производство металлических порошков

Обзор

Металлические порошки это мелкие металлические частицы, используемые в качестве исходного сырья для таких технологий производства, как аддитивное производство, литье металлов под давлением, прессование и спекание в порошковой металлургии. Производство современных специализированных металлических порошков с точным контролем химического состава, распределения частиц по размерам, морфологии и микроструктуры имеет решающее значение для свойств готовых компонентов.

Для крупномасштабного производства металлических порошков из различных систем сплавов используются различные методы, в том числе:

• Распыление газа
• Распыление воды
• Плазменное распыление
• Индукционное плавление электрода распылением газа
• Процесс с вращающимся электродом
• Карбонильный процесс
• Электролитический процесс
• Процессы восстановления металлов

В результате каждого процесса получаются порошки с различными характеристиками, подходящими для конкретных областей применения.

Методы производства металлического порошка

Металлический порошок Методы производства

Существует множество коммерческих методов, используемых для получения металлических порошков из различных систем сплавов. Выбор метода производства зависит от таких факторов, как:

• Тип материала сплава
• Требования к чистоте
• Желаемые характеристики порошка: размер частиц, форма, структура зерна
• Масштаб производства в тоннах в год
• Конечное применение порошка

Вот некоторые из наиболее распространенных промышленных процессов производства металлических порошков:

Процесс газовой атомизации

В процессе газового распыления поток расплавленного металлического сплава дезинтегрируется струями газа высокого давления, обычно азота или аргона. Поток металла распадается на мелкие капли, которые застывают в порошок.

Порошки, распыляемые газом, имеют сферическую форму и гладкую морфологию поверхности. Распределение частиц по размерам можно контролировать, регулируя параметры процесса. Этот метод широко используется для реактивных материалов, таких как титан, алюминий, магниевые сплавы, а также нержавеющие стали, инструментальные стали и никелевые суперсплавы.

Распыление воды

При распылении воды поток расплавленного металла попадает под высокоскоростные струи воды. Резкое охлаждение приводит к взрыву, который разбивает металл на мелкие частицы. Порошки имеют неправильную форму и содержат повышенное содержание кислорода из-за контакта с водой.

Распыление воды - менее затратный процесс, используемый для производства больших объемов порошков нержавеющей стали, легированной стали, железа и меди для прессования и спекания.

Процесс плазменного распыления

В процессе плазменного распыления плазменная горелка используется для расплавления металлического сплава перед его распадом на мелкие капли с помощью газовых струй. Сверхвысокие температуры позволяют успешно распылять такие высокореакционные элементы, как алюминиды титана.

Порошки имеют сферическую форму и узкое распределение по размерам, подходящее для таких методов аддитивного производства, как лазерное плавление и электронно-лучевое плавление.

Процесс вращающегося электрода (REP)

В процессе вращающегося электрода цилиндрический металлический электрод вращается с высокой скоростью в вакуумированной камере. Он расплавляется с помощью электрической дуги, а капли расплавленного металла, отбрасываемые центробежными силами, охлаждаются, образуя порошок.

Порошки REP имеют зернистую структуру и морфологию, идеально подходящую для горячей экструзии в тонкую проволоку и прутки для аэрокосмических сплавов, таких как вольфрам, молибден, тантал.

Электродная индукционная газовая атомизация (EIGA)

В процессе EIGA используется индукционный нагрев для расплавления наконечников электродов в атмосфере инертного газа. Капли подвергаются вторичному распылению струей аргона в мелкие сферические порошки.

EIGA обеспечивает очень высокую чистоту реактивных никелевых суперсплавов для критически важных аэрокосмических компонентов за счет контролируемого плавления и минимизации загрязнений.

Карбонильный процесс

В процессе карбонильной обработки металл превращается в летучий карбонил, который разлагается в контролируемых условиях с получением однородных ультратонких металлических частиц. Этот подход подходит для получения высокочистых порошков железа, никеля и кобальта.

Другие методы производства порошка

Некоторые другие технологии, используемые для производства специальных металлических порошков, включают в себя:

• Электролитический процесс: Используется для получения порошков меди и никеля неправильной формы с дендритной морфологией методом электроосаждения
• Процессы восстановления металлов: Восстановление оксидов металлов с помощью водорода или углерода для получения порошков титана, циркония, вольфрама, молибдена
• Механическое легирование: Высокоэнергетическое шаровое измельчение для синтеза композитных и наноструктурированных сплавов

Металлический порошок Технические характеристики

Критические характеристики качества и спецификации, проверяемые для металлических порошков, зависят от метода производства и конечного применения, но обычно включают:

Химия порошка

• Состав сплава с помощью оптической эмиссионной или рентгенофлуоресцентной спектроскопии
• Незначительные легирующие элементы
• Примесные элементы, такие как кислород, азот, водород
• Испытание на потерю при воспламенении при высокой температуре

Распределение частиц по размерам

• Средний объемный размер частиц
• Ширина распределения, например, D10, D50, D90

Характеристика формы частиц

• Сканирующая электронная микроскопия для определения морфологии
• Факторы формы, такие как соотношение сторон и форм-фактор

Микроструктура

• Фазы, присутствующие с помощью рентгеновской дифракции
• Характеристики зерен по данным визуализации

Свойства порошка

• Кажущаяся плотность/плотность отвода
• Расход через воронку расходомера Холла
• Уровни сжимаемости

Требования к техническим характеристикам порошков сильно варьируются в зависимости от конечного применения в различных областях:

Методы определения характеристик

Существует несколько аналитических методов, используемых для определения свойств металлических порошков, необходимых для работы изделия:

Анализ размера частиц

Методы лазерной дифракции наиболее широко используются для определения распределения частиц по размерам. При этом лазерный луч проходит через дисперсный образец порошка, который рассеивает свет под углом, зависящим от размера частиц. Компьютерный анализ дифракционной картины позволяет получить подробные статистически значимые данные о распределении частиц по размерам в течение нескольких секунд.

Морфология и изображение поверхности

Сканирующая электронная микроскопия (СЭМ) позволяет получать изображения с высоким разрешением формы частиц порошка, рельефа поверхности и особенностей при гораздо большем увеличении и глубине фокуса по сравнению с оптической микроскопией.

СЭМ-изображения используются для изучения округления частиц, образования спутников, гладкости поверхности и таких дефектов, как пористость.

Измерение плотности и свойств потока

Были разработаны стандартные методы испытаний для количественной оценки поведения сыпучих материалов:

• Расходомерная воронка Холла для измерения расхода порошка через отверстие
• Воронка Карни для оценки текучести по углу откоса
• Волюметр Скотта для определения плотности и сжимаемости крана

Эти методы позволяют прогнозировать удобство обращения, смешивания, заполнения матриц и распределения в процессе производства компонентов.

Рентгеновские методы определения состава и кристаллической структуры

• Рентгенофлуоресцентная спектроскопия точно определяет и количественно оценивает элементный состав металлов
• Рентгеновская дифракция анализирует расположение атомов и присутствующие фазы по картинам дифракционных пиков

Применение металлических порошков

К основным видам конечного использования металлических порошков относятся:

Аддитивное производство

Также известны такие технологии 3D-печати, как селективное лазерное плавление (SLM), прямое лазерное спекание металлов (DMLS) и электронно-лучевое плавление (EBM), позволяющие создавать сложные геометрические формы из порошков титана, алюминия, нержавеющей стали, суперсплава, кобальтохрома.

Литье металлов под давлением (MIM)

Порошки, такие как нержавеющая сталь, титановые сплавы и инструментальные стали, соединяются со связующим веществом, подвергаются литью под давлением, а затем спекаются для производства небольших сложных деталей в больших объемах по низкой цене.

Пресс и агломератор для порошковой металлургии

Компактирование и спекание порошков железа, меди и легированной стали для производства деталей большого объема, таких как шестерни, втулки и магниты.

Существуют также нишевые области применения специальных металлических порошков, такие как сварка, алмазные инструменты, электроника и поверхностные покрытия.

Поставщики и ценообразование

К числу ведущих мировых поставщиков различных металлических порошков относятся:

Цены на металлические порошки варьируются в широких пределах:

• Материал и состав сплава
• Используемый метод производства
• Обработка для достижения характеристик частиц
• Уровни чистоты и степень загрязнения
• Объемы закупок - контракты на большие объемы дают более низкие цены

Типичные базовые цены за килограмм составляют:

Цены значительно возрастают при индивидуальном распределении частиц по размерам, контролируемом уровне кислорода и азота менее 100 ppm, а также при закупках небольших партий.

Преимущества и ограничения порошковой металлургии

Преимущества порошковой металлургии

• Возможность получения сложных геометрических форм, невозможных при литье или механической обработке
• Изготовление по форме, близкой к сетке, сокращает отходы материалов
• Можно использовать металлы и сплавы с более высокими эксплуатационными характеристиками
• Последовательная структура пористости, невозможная при металлургии слитков
• Компоненты могут быть изготовлены по индивидуальному заказу

Ограничения при производстве и обработке порошков

• Капитальные вложения в производственное и погрузочно-разгрузочное оборудование очень высоки
• Увеличенная площадь поверхности делает работу с пирофорными реактивными порошками рискованной
• Для достижения высокой плотности уплотнения может потребоваться высокое давление
• Дополнительные технологические операции по сравнению с литьем
• Переносимость АМ-машин благодаря тому, что порошок является LO/NO

Вот краткое сравнение порошковой металлургии с обычным процессом литья:

Вопросы и ответы

В: Каков типичный диапазон размеров частиц, используемых в металлических порошках для 3D-печати?

О: В технологиях с порошковым слоем, таких как селективное лазерное плавление (SLM) и электронно-лучевое плавление (EBM), оптимальный размер частиц находится в диапазоне 15-45 микрон. Более мелкие порошки улучшают разрешение, но могут быть сложны в обращении и обработке.

Вопрос: Что определяет морфологию металлических порошков, полученных разными методами?

О: Производственные факторы, такие как интенсивность разрушающей силы потока расплава от газовых струй или гидроударов, а также скорость последующего охлаждения, определяют форму частиц. При более быстром охлаждении образуются нерегулярные, дендритные частицы, в то время как более медленное застывание (сферическое распыление) позволяет получить гладкие округлые структуры.

В: Почему высокая чистота важна для металлических порошков в аддитивном производстве?

О: Примеси могут вызывать дефекты, проблемы с пористостью, изменять микроструктуру сплава, снижать плотность, влиять на характеристики при нагрузках и температурах, отрицательно сказываясь на механических свойствах. Типичными стали целевые уровни кислорода менее 500 ppm и азота менее 100 ppm.

Вопрос: Как безопасно обращаться с металлическими порошками при транспортировке и хранении?

О: Реактивные металлические порошки пассивируются для создания окисленных поверхностей, что сводит к минимуму риск воспламенения. Для предотвращения воспламенения порошки при транспортировке запечатываются в бочки с инертными газами, например аргоном, а не воздухом. Контейнеры для хранения должны быть надлежащим образом заземлены. При работе с ними персонал пользуется специальными СИЗ.

Вопрос: Какие существуют распространенные методы определения характеристик порошка?

О: Расходометрия Холла, испытания на плотность, пикнометрия, LOI, спектрографический анализ, металлография и распределение частиц по размерам с помощью лазерных или ситовых методов являются жизненно важными для количественной оценки поведения, контроля качества производства металлических порошков и оценки пригодности партии для конкретных применений.

узнать больше о процессах 3D-печати